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空調及電力遠端監控系統技術手冊參、BACnet、LonWorks簡介與發展現況一、互通性的優點互通性系統(InteroperableSystems)這個名辭對國內與建築自動化系統有關的人員也許還是很生疏的，但是討論不同廠家控制系統和元件的整合問題時，都覺的這種技術非常有需要。其實互通性的建築自動化系統就是使用標準資料通訊協定的一種控制網路系統，簡單來說，就是使用一種共同的語言，使網路上不同廠家製造的產品彼此能了解和交談，雖然其產品功能和傳統直接數位控制器(DDC)並無差異，但因其彼此互通的通訊功能，使得各種自動化系統和產品可以完美的整合在一起，發揮BAS最大的功能。建築內的各種設施具有互通性的通訊標準之後，業主得以由各別專業設備供應商獲得最理想的產品，而不用擔心安裝之後，無法與建築自動化系統整合，因此可擴大專業設備廠商的行銷潛力，間接鼓勵其追求技術的提昇，形成產業界良性的競爭。對於建築物業主而言，採用互通性的系統更可獲得許多好處，舉例來說，其優點如下：(一)、降低初設成本和維護成本業主選用具有互通性的系統之後，將可促使設備供應商在相同的基礎上良性競爭，而獲得較彽價格和較高品質產品的供應，並且不同設備可以選用不同廠家產品，但是卻無礙於整合系統的建立。在系統和設備維護方面，以往尚未有互通性系統時，業主採用某一1廠牌自動化系統之後，當系統需要維護時，仍需要由同一廠商供應，通常必須忍受高昂的維護費用，更糟糕的是，如果產品停產或品質不良，業主必須面臨作出系統全數汰換或者停用的決定。使用互通性的系統時，業主可以依據其需求選擇適合的產品，來維護一部份的系統元件，對安裝自動化系統的建築可提供最多的保障。(二)、提高系統安裝效率和整合性設備製造商根據互通性協定標準之要求，在產品出廠前即做好控制介面，在安裝現場連接控制網路後就可以通訊，可以提高安裝的效率。以往一些大型的空調設備如冰水主機和空調箱，經常安裝有製造商本身的控制系統，由於無法整合於建築自動化系統，充其量只能作一些ON-OFF或警報的監控，如果要了解警報的內容和設備的運轉狀況，或作更精細的運轉條件調整，則必須透過閘流器(Gateway)的翻譯，使兩種不同的系統可以相互了解和通訊，由於建築內使用的設備種類繁多，如果要為每一種設備提供閘流器，必然是耗日費時的工作，同時也會增加成本和降低整體效率，因此唯有建立互通性系統，才是最終解決之道。(三)、增加操作和維護效率互通性系統可以將建築內空調、防火、照明等各種自動化系統整合在一起管理，不但操作人員費用可以降低，也可以針對一些突發事件，如發生火災的狀況時，對建築物內各種系統，適時作出迅速的處理，以避免危害的擴大。另外在維護工作效率方面，由於互通性設備可以隨時提供更詳細的運轉資料給維護人員參考，使其可以安排適當的維修時程，避免嚴重問題的發生及確保設備運轉的效率。而且整個建築自動化系統都可以由單一處監控，當問題發生時，維護人員可以很快的獲知並加以處理，使維2護工作非常有效率。(四)、提高建築能源節約效果安裝自動控制系統的設備，可以提高設備能源效率，已是設施人員都了解的事實，但是如果能夠具有互通性的通訊功能，設備之間可以交流訊息，使整個系統發揮更大的節約能源效果。例如由使用端的人員進出、照明或者空調箱的實際情形，透過控制網路傳達給冰水機控制器，以安排運轉程序和出水溫度的設定，或者配合電力需量控制，達到節省能源和電費的目的。(五)、保持自動化系統的擴充能力許多建築業主在初設期間受限於經費無法安裝使用功能完整的自動化系統，以往系統無法互通時，不同階段建立的系統銜接便成了困難的問題，採用互通性系統便不會受到這種限制，業主可以依其能力逐漸增添或者替換所需要的控制功能，以改善環境舒適性和節省能源。3二、互通性協定一個開放(Open)互通(Interoperable)的通訊協定(Protocol)標準有上述的許多好處，但是此項新技術和傳統經由控制架構下層的機電接點和開關整合，或者經由上層電腦軟體作整合的技術有何不同呢？即使是曾經接觸控制網路的人員，也會對何種協定才可稱為互通性協定存有疑問。我們必須了解控制術語中的所謂介面(Interface)、整合(Integration)和互通性(Interoperability)的差別。介面通常指的是在控制架構中(參考圖2-1)，較下層的實體結合，而且通常是屬於單向性的，例如控制器依時序的設定來控制冰水主機電源的開關即屬此類。整合則指雙向性的溝通，但仍屬實體層次的驅動器(Driver)結合，例如冰水主機可向控制器以類比或數位訊號反映其運轉狀態，使自動化系統可以據以判斷，來控制主機的啟停或者重設出水溫度，以達到節省能源的效果。較高級的整合方式或許會透過一個閘流器(Gateway)來作兩個系統的轉譯溝通，但這類的系統仍非所謂互通性的系統設計方式。互通性的技術可以達到不同系統整合的效果，但卻不須要任何閘流器的軟體翻譯或者驅動器的硬體連接，因為不同系統和設備均可使用相同的網路架構，講相同的語言，亦即遵守共同的通訊協定，而達到完美的直接整合，就像目前非常流行的資訊網路(InformationNetwork)，任何電腦均可透過網際網路協定(InternetProtocol)相互傳輸資料、圖面和影音等等。這些年來不同產業界為整合其應用領域上的不同設備元件，分別發展出許多種開放型的協定，其數目可能有數十個，而其歷史有的甚至比網際網路協定還早，表3-1中列舉目前各領域中較具代表性的控制網路協定，依其應用方式概略可分為製程控制、分離式控制、商業用控制、4儀器控制和家庭自動化等。由於各種用途對網路協定的要求也不盡相同，因此很難以一種協定來完全適用。在工業製程方面要求嚴格準確的控制，ISP和WorldFIP就是針對其要求製訂的；在工廠生產機具的分離式控制器方面，要求的是反應時間快、重複性高和彈性大，CAN和Lonworks為其代表之協定；在儀器的控制方面要求其準確度和傳輸速度，IEEE-488即為熟知的儀器通訊協定；家庭自動化為未來蓬勃發展的產業，其追求的是配線簡單，成本低廉，CEBus和Lonworks均以此為目標；在商業建築自動化方面，目前美國以BACnet和Lonworks兩個協定為主流，各有各的擁護者，其發展值得加以密切關注。國際上雖然還有一些建築自動化的協定，例如加拿大的CAB和德國的FND，但其協定的嚴謹性和完整性均不如前兩者，因此影響力較小，尤其目前BACnet和Lonworks已分別被選為歐洲標準CENTC-247控制架構的初選上層和下層標準，BACnet並且已成為國際標準組織ISOTC-205W3的建築通訊協定標準之初稿，因此本文將就此兩種協定作更深入的探討。表3-1、不同控制網路標準協定規格比較表BACnetCANCEBusIEEE-488ISPLonWorksWorldFIPCharacteristicsApplication(s)targetedBuildingAutomationAutomotiveConsumerInstrumentationProcessControlAllProcessControlOSI1,2,3,71,21,2,3,71,2,71,2,71,2,3,4,5,6,71,2,7SystemControl(command-orstatusbased)BothCommandCommandCommandBothBothBothSystemTypeNetworkBusNetBusBusNetBusMediaAccessCSMA/CD,tokenbus,master-slave,dial-upCSMA/CRCSMA/CDBusMaster-SlaveCSMA/CAMaster-Slave5ErrorProtectionCRCCRCCRC(onlypower)---CRCCRCCRCMediaSupportedbesidestwistedpairCoaxialcable,opticalfiberFiberRF,powerline,coax(Twistedpaironly)(Twistedpaironly)RF,powerline,IR,fiber,coaxFiberAddressingSchemeAllBroadcastAllUnicast,broadcastAllAllBroadcastMax.datarate,Mb/s1010.0182.51.252.5IntrinsicsafetyNoNoNoNoYesYesYesPowerfromnetworkNoNoYesNoYesYesYesMax.Nodes248402169618128248256SecurityAuthentication,encryption------------Authentication---PriorityYesYesYesNoYesYesYesSupportNetworkManagementNoNoNoNoYesYesYesConnectivity(repeaters,bridges,routers)AllNoneNoneRepeatersBridgesAllRepeatersProtocolAnalysisNoNoNoNoNoYesYesNetworkDevelopmentNoNoNoNoNoYesNoChiporChipsetNoYesYesYesNoYesNo三、BACnet協定BACnet是BuildingAutomationControlNetworks的縮寫，在1995年已成為ANSI/ASHRAESSPC135建築自動化控制網路的資料傳輸協定標準，其研擬時間歷經約9年，美國主要廠家均曾參與，經過三次6的公開意見討論程序後才完成訂稿，其發展過程必須與掌握市場的大廠商利益相互折衝，不可不謂艱辛。然而正因如此，其通訊協定(如圖3-1)之較底層的部份：資料連結層(DataLink)和實體層(Physical)，提供有五種業界常用的標準協定，包括有Ethernet,ARCnet,MS/TP,PTP和Lontalk，使既有的網路配線系統不必更換，廠商由獨家的網路協定移轉到BACnet協定，僅須變更上層的應用層(Application)的訊息指令定義方式和網路層(Network)的傳輸位址控制方式，其變更過程中所付出的代價與成本是最低的。圖3-1、BACnet的簡化網路協定BACnet的五種下層協定因其傳輸速度和裝設成本各有不同，如表3-2所示，可以分別滿足一般建築自動化系統由上至下的管理層、操作層、系統層，以及現場層(Field)或區域層(Zone)的通訊需求，舉例來說，Ethernet和ARCnet傳輸速度快適合上層控制主幹的使用，中下層控制器和感應器、制動器之間的傳輸則可以使用較低成本的MS/TP和Lontalk協定，至於PTP之點對點通訊協定則允許操作人員經由Modem進行遠端監控或者經由可攜式電腦作控制現場調整。圖3-2為1996年7在亞特蘭大的冷凍空調展中結合各廠家於會場中，所建立的BACnet控制網路示範。表3-2、BACnet五種下層傳輸協定之特性網路型式標準實體媒介*傳輸速度特性和應用方式EthernetISO8802-3Coax,Fiber,TX10-100Mbs1.主傳輸骨幹2.價格高ARCnetATA/ANSI878Coax,Fiber,TX150K-7.5Mbs1.主傳輸骨幹2.價格高MS/TPEIA485TX9.6K-76Kbs1.低階控制器2.速度慢PTPEIA232Multipleconductor9.6-56Kbs1.點對點應用2.速度慢LontalkTX,RF,Fiber,Powerline78Kbs,1.25Mbs1.低階控制器或智慧感應器2.中、低速度註：*Coax同軸電纜,Fiber光纖,TX(Twistedpair)雙絞線,RF(Radiofrequency)無線電，Powerline電源線圖3-2、BACnet協定在1996年美國冷凍空調展所建立的示範控制網路8在網路架構的規